增量制造技術(AM)是以層層累積制造為基礎的一類技術的總稱, 因其具備"直接制造、快速"等特點而被Economist雜志稱為引發第三次工業革命的關鍵技術之一。本文將介紹這一類技術的發展歷史, 主要技術的制作流程, 重點綜述AM所具備的優勢及不足, 以及在醫學領域內的應用前景。
引用本文： 宋澤文, 王國慧, 高琴, 朱曬紅. 增量制造技術及其在醫學領域的應用探討. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(2): 485-488. doi: 10.7507/1001-5515.20150088 復制
引言
增量制造技術(additive manufacturing, AM)是根據三維(three dimension, 3D)模型數據，通常采用層層添加的模式，將材料制作成物品的技術，俗稱“3D打印技術”，也被稱為快速成型技術。2012年，Economist雜志發表文章，評價其將是引起第三次工業革命的關鍵技術之一；同年8月，美國政府撥款3 000萬美元，在俄亥俄州設立國家級3D打印添加劑研究中心，并計劃第一步投入5億美元，以確保美國制造業不繼續轉移到中國和印度，足見其在經濟、政治等方面的影響力。AM的研究最早萌動于20世紀70年代，1984年Charles Hull發明光固化立體造型技術并于1986年開發了世界上首臺3D打印機后，才標志著早期機器設備的出現，但這時期的設備龐大而昂貴，制造出的產品粗糙簡陋，所能使用的材料種類非常有限，因此，AM在早期僅僅潛藏于大學以及研究機構不為大眾所青睞。經過30多年的發展，AM飛速進步，已廣泛應用于航空航天、醫療、機械模具、汽車及消費品等行業，產生了深遠的影響。
1 AM簡介
AM是以層層累積制造為原理的一類技術的總稱，包含三十多種技術，如光固化立體造型(stereolithography, SL)、熔融沉積成型(fused deposition molding，FDM)、選擇性激光燒結(slective laser sintering, SLS)、分層實體制造(laminated objects manufacturing, LOM)、電子束融化成型(electron beam melting, EBM)、三維打印(three-dimension printing, 3DP)技術等，所有的這些技術都是把儲存在電腦中的三維圖形轉化成實物的過程。首先，設計者利用計算機輔助設計(computer-aided design, CAD)軟件完成特定物品的三維造型或直接利用醫學影像學技術如CT、MRI等獲得三維模型數據，然后將CAD模型轉化成STL(Standard Triangulation Language)文件，后一步是進行分層處理：即通過設定坐標系，以特定的層厚(通常是25~100μm)對三維圖形進行切分，轉變成多個二維圖層，所有這些二維圖層的組合即等同于原始的三維結構。基本上所有的CAD軟件都能夠輸出STL文件，而分層處理也有特定的軟件和技術進行處理。當經處理后的STL文件輸入到成型設備中后，每輸入一個層面的數據，設備就會以特定的層厚“打印”一個層面，然后逐層累積，最后形成具有三維結構的產品，完成制作。本文主要介紹SL、FDM、SLS、3DP的具體制造流程。
1.1 光固化立體造型(SL)
SL使用的材料是光敏樹脂，通過由電腦控制的激光束，直接或借助數字化光投影儀，將特定二維圖層上的幾何圖形顯影到液態光敏樹脂的表面。在激光的作用下，照射區域內的樹脂發生固化，而未照射區域則仍然是液態。第一個層面的固化是在設備的可移動平臺上形成，當完成第一個層面的固化后，可移動平臺就會下移一個層厚的距離，使已經生成的固化層面的上方又被液態樹脂覆蓋，然后電腦傳輸入下一個層面的圖形數據，再通過激光束或數字化光投影儀，將其幾何圖形顯影到液態樹脂的表面并在已經生成的上一個固化層面的表面生成下一個固化層面，如此重復，不斷層層累積，最后完成產品的制作。
1.2 熔融沉積成型(FDM)
FDM需要將材料在高溫條件下熔化成液態，然后通過噴嘴積壓出很小的球狀微粒疊放在先前的層面上，每完成一個層面，可移動平臺就下降一個層厚，如同在SL中一樣。FDM所用的材料一般是加溫到其熔點以上的0.5℃，以便其從噴嘴里積壓出以后，能在0.1 s的時間內冷卻到熔點以下，凝固并焊接到先前的層面上，從而實現層層累積，完成三維產品的制造。
1.3 選擇性激光燒結(SLS)
SLS的材料為精細粉末，它使用功率在25~50 W之間的CO2激光照射，克服粉末之間的表面張力，從而使其相互熔融在一起，并且在燒結之前，整個加工床通常會加熱到低于所用材料熔點的程度，從而在減少熱變形的同時促進先后兩層之間的融合。SLS有左右兩個圓筒，左邊是粉末筒，右邊是加工筒，當加工筒內完成一個層面的燒結并下移一個層厚的距離后，粉末筒內的可移動平臺就會上升一定的距離，然后圓形轉軸從左向右移動，把粉末從粉末筒一側帶到加工筒一側，并在先前的加工層面上平鋪上一層粉末，開始下一個層面的燒結。
1.4 三維打印(3DP)技術
3DP技術則使用兩種材料，一種是粉末材料，另一種是粘合劑。首先工作平臺上鋪一層粉末材料，然后噴嘴根據輸入的圖形信息，選擇性地將粘合劑噴灑到特定區域，粘合粉末形成與輸入信息相同的幾何圖形，同時，為了減少圖形區域以外的粉末對粘合過程的干擾，粉末通常用水滴加以穩固。同前面提到的AM一樣，每完成一個層面的制作，可移動平臺便下移一個層厚的距離，以便進行下一個層面的制作，如此重復，以完成產品成型。與前面不同的是，這里完成的僅是中間產品，是用粘合劑將粉末粘合成特定的三維結構，下一步的處理是將其置于900℃的溫度下烘烤2 h，以完成燒結成型。
2 AM在醫學領域的應用
與傳統技術相比，AM有很多優勢，主要體現在：①制作結構復雜，尤其是內部結構復雜的構件：不管某個構件的內部結構如何復雜，AM始終能把它在一個維度上(如z軸方向)進行切分，分解成一個個二維圖層，然后進行層層累積制造。而傳統技術通常先要把構件按照對稱軸/面進行分割，然后進行切割，雕琢，再拼裝；如果其內部結構不存在對稱軸/面，用傳統技術進行制作就很艱難。②更適合進行設計：AM的數據全部來自CAD文件，因此，修改設計在電腦上用CAD軟件就能輕松解決，制作樣品也只需要數分鐘到數小時，而傳統技術則需要數周到數月去重新筑模、塑形、壓制、切削和打磨。③個性化制作：從AM的工作原理上講，幾乎可以制作任何形狀的物品，因此它能夠制作更加滿足個人需求的物品，尤其是在醫學領域，由于人體的個體化差異明顯，AM的應用非常廣泛，涵蓋了如下方面：組織工程領域的應用；人體植入物的制作；醫學模型開發；醫療器械的開發等。
2.1 組織工程領域的應用
AM在此領域的應用之一是開發支架(scaffold)，以模擬真實的細胞外環境，為細胞的生長分化提供三維空間。Susan等[1]總結了各種AM技術應用于支架制造的優勢和劣勢。目前的研究方向主要是探索新的材料和設計，使支架更利于組織細胞的分化和生長[2-7]。其另一應用是器官打印，自Mironov等[8]首次提出根據AM層層添加制造的原理、利用自動生物打印機(robotic bioprinter)進行器官打印的概念后，器官打印技術一直在快速發展。2010年，第一本器官打印技術書籍的出版，新的生物制造雜志的創立，以及國際生物制造協會的成立都表明這一領域是熱點。Mironov等[9]提出新理念，即構建器官生物制造流水線(organ biofabrication line, OBL)以實現對器官打印技術的商業化轉化，OBL的一些組成部分如干細胞增殖反應器，自動生物打印機已經研發成功，但其他關鍵組成部分，如組織球體生物制造機以及生物打印機等尚在研發中，如Renende等[10]闡述了如何讓組織球體自動生物制造規模化，以實現器官打印技術的商業化，并總結了當前制造組織球體的技術發展概況。
2.2 人體植入物
由于AM能夠制造任何復雜形狀的三維物體，并能將醫學影像學數據轉化成AM所需要的STL文件。因此AM能制造出滿足個體需求的人體植入物，目前已應用于顱骨損傷修補、鼻修補、耳成形手術、假肢及關節置換、心臟瓣膜及主動脈等方面的研發和臨床應用[11-14]。目前研究的熱點主要從材料和設計兩方面著手，開發出更加滿足實際應用的植入物。Murr等[15]著重比較了Ti-6Al-4V材料和Co-29Cr-6Mo材料所做成的實體狀膝關節植入物之間的性能以及實體狀、篩孔狀和泡沫狀設計間的性狀差異，以解決骨關節植入物與真實骨之間彈性系數不匹配問題和應力屏蔽問題。Khanoki等[16]提出以疲勞設計，來探索解決由于日常周期性壓力承載所導致骨骼植入體的進展性損傷問題。
2.3 醫學模型的開發
醫學模型的開發主要應用于兩個方面。其一是手術前準備，即通過構造手術相關的模型，可以讓醫生演練和熟悉手術操作，討論和確定手術入路、手術方式等，如確定截骨術的骨線，從而減少手術操作的盲目性，縮短手術時間、降低手術風險。如Bagaria等[17]報道通過使用AM來更好地理解復雜骨折，進而確定如何手術，減少了手術時間、麻醉藥物的用量和術中出血量。Rohner等[18]報道一例關于頜骨缺損患者的研究，首先通過AM制作出患者的頜骨模型，然后口腔修復科醫師與外科醫師共同商量，確定腓骨截骨術的數目、外形和位置，得到相應匹配的骨瓣進行缺損重建。其二是便于教學，醫學生能夠通過模型更好地理解人體的解剖結構以及手術操作，并且醫生也可以利用模型更好地向患者解釋手術操作的流程、必要性以及風險，增加患者對疾病和手術的了解。此外，隨著3D打印機朝向家用化和辦公化發展，設備價格進一步下降，可以設想每個外科醫生辦公室都可以有一臺3D打印機，打印出需要的模型用于教學或手術的準備。
2.4 醫療器械的開發
AM在醫療器械開發領域的影響有三點：其一，醫生可以擁有適合自己習慣和喜好的手術器械并可以隨時加以改進，并且為了進一步降低成本，首先可以用廉價的材料制作樣品，待完成最后的修改后再用所需要的材料如不銹鋼、鈦合金制作出最終的產品；其二，AM能夠幫助醫務工作者更好地解決工作中的問題，如改進器械，設計新的器械等，從而有助于提高醫務工作者的設計能力和創新能力；其三，AM能夠制作滿足患者個體化需求的醫療器械。Wei等[19]報道通過光固化立體造型技術制出患者特定的定位棒協助從患者顱底取出異物。Ciocca等[20]報道一例頜面部腫瘤切除術后患者，根據CT掃描數據以及AM，在手術前制造出患者殘余骨模型以及與之匹配的定位器，以固定殘余骨的位置，恢復殘余骨之間原本的三維解剖關系，以便接下來植入骨瓣時節省骨骼復位時間，這也有利于正常的解剖關系得以復原，促進患者的咀嚼等功能恢復。由于頜面骨骨骼以及牙齒形態復雜，因人而異，故這種定位器多用于頜面部重建手術以及牙科手術中。Lethaus等[21]報道在20例下頜骨缺損患者中，用AM制造出與患者本身骨骼類同的模型，然后預先彎制重建板，以用于固定植入的骨瓣，從而節省手術時間。
3 展望
作為新興的技術，AM采用了累積制造的理念，具有難以被傳統工藝取代的優勢，這些已充分闡述，其局限性之一在于材料，經過近三十年的發展，能夠用于AM的材料已大大增加，但是能夠滿足實際應用的材料仍屬不足，這主要是因為材料要滿足的條件很多，一方面，它要適用于工藝本身，比如用于光固化立體造型技術的材料必須有光敏性；另一方面，它要滿足實際應用的性能，比如代替人體骨骼的金屬植入物在保證外形、功能的同時，重量、機械強度，柔韌性均需要盡可能地契合人體本身，因此所用材料的密度、機械性能都有一定的要求，而材料的受限反過來也限制了AM的實際應用。局限性之二是精度，雖然有學者提出，醫學領域里精度的需求可能不需要達到特別高的層次，合適范圍內的偏差是允許的[22]，但是提高精度會進一步拓展AM的應用范圍。精度受很多因素的影響，不同的技術對精度的影響不一致，比如，Salmi等[23]報道，用SLS、3DP、Polyjet技術制成的顱骨模型中，Polyjet技術的精度比其余兩者的精度要高；而另一方面，由于需要將CAD文件轉化為STL文件，而STL文件是用細小的三角形模塊模擬原始三維圖像，這些轉化過程也進一步影響了最終產品的精度，此外在醫學領域，STL文件通常由影像學數據轉化而來，而影像學數據本身會因為部分容積效應等因素產生偏差[23]，如何減少技術本身的誤差和數據轉化產生的偏差是一個值得探索的領域。
另一方面，傳統工藝也在革新，數控仿真加工技術也以CAD數據為基礎，從多個軸向進行自動加工，其不僅可以同樣地將設計從制造過程中分離出來，并且精度、材料廣泛性要高于AM[24]，但其不足也很明顯，一方面其材料浪費比較嚴重，另一方面加工所耗費的時間也很長，而這兩點恰好是AM的優勢，雖然融合AM與數控仿真加工技術為一體的混合疊層制造(hybrid layered manufacturing)早已被提出[24]，但如何更好地讓兩種技術進行優勢互補仍在繼續研究中[25]。
引言
增量制造技術(additive manufacturing, AM)是根據三維(three dimension, 3D)模型數據，通常采用層層添加的模式，將材料制作成物品的技術，俗稱“3D打印技術”，也被稱為快速成型技術。2012年，Economist雜志發表文章，評價其將是引起第三次工業革命的關鍵技術之一；同年8月，美國政府撥款3 000萬美元，在俄亥俄州設立國家級3D打印添加劑研究中心，并計劃第一步投入5億美元，以確保美國制造業不繼續轉移到中國和印度，足見其在經濟、政治等方面的影響力。AM的研究最早萌動于20世紀70年代，1984年Charles Hull發明光固化立體造型技術并于1986年開發了世界上首臺3D打印機后，才標志著早期機器設備的出現，但這時期的設備龐大而昂貴，制造出的產品粗糙簡陋，所能使用的材料種類非常有限，因此，AM在早期僅僅潛藏于大學以及研究機構不為大眾所青睞。經過30多年的發展，AM飛速進步，已廣泛應用于航空航天、醫療、機械模具、汽車及消費品等行業，產生了深遠的影響。
1 AM簡介
AM是以層層累積制造為原理的一類技術的總稱，包含三十多種技術，如光固化立體造型(stereolithography, SL)、熔融沉積成型(fused deposition molding，FDM)、選擇性激光燒結(slective laser sintering, SLS)、分層實體制造(laminated objects manufacturing, LOM)、電子束融化成型(electron beam melting, EBM)、三維打印(three-dimension printing, 3DP)技術等，所有的這些技術都是把儲存在電腦中的三維圖形轉化成實物的過程。首先，設計者利用計算機輔助設計(computer-aided design, CAD)軟件完成特定物品的三維造型或直接利用醫學影像學技術如CT、MRI等獲得三維模型數據，然后將CAD模型轉化成STL(Standard Triangulation Language)文件，后一步是進行分層處理：即通過設定坐標系，以特定的層厚(通常是25~100μm)對三維圖形進行切分，轉變成多個二維圖層，所有這些二維圖層的組合即等同于原始的三維結構。基本上所有的CAD軟件都能夠輸出STL文件，而分層處理也有特定的軟件和技術進行處理。當經處理后的STL文件輸入到成型設備中后，每輸入一個層面的數據，設備就會以特定的層厚“打印”一個層面，然后逐層累積，最后形成具有三維結構的產品，完成制作。本文主要介紹SL、FDM、SLS、3DP的具體制造流程。
1.1 光固化立體造型(SL)
SL使用的材料是光敏樹脂，通過由電腦控制的激光束，直接或借助數字化光投影儀，將特定二維圖層上的幾何圖形顯影到液態光敏樹脂的表面。在激光的作用下，照射區域內的樹脂發生固化，而未照射區域則仍然是液態。第一個層面的固化是在設備的可移動平臺上形成，當完成第一個層面的固化后，可移動平臺就會下移一個層厚的距離，使已經生成的固化層面的上方又被液態樹脂覆蓋，然后電腦傳輸入下一個層面的圖形數據，再通過激光束或數字化光投影儀，將其幾何圖形顯影到液態樹脂的表面并在已經生成的上一個固化層面的表面生成下一個固化層面，如此重復，不斷層層累積，最后完成產品的制作。
1.2 熔融沉積成型(FDM)
FDM需要將材料在高溫條件下熔化成液態，然后通過噴嘴積壓出很小的球狀微粒疊放在先前的層面上，每完成一個層面，可移動平臺就下降一個層厚，如同在SL中一樣。FDM所用的材料一般是加溫到其熔點以上的0.5℃，以便其從噴嘴里積壓出以后，能在0.1 s的時間內冷卻到熔點以下，凝固并焊接到先前的層面上，從而實現層層累積，完成三維產品的制造。
1.3 選擇性激光燒結(SLS)
SLS的材料為精細粉末，它使用功率在25~50 W之間的CO2激光照射，克服粉末之間的表面張力，從而使其相互熔融在一起，并且在燒結之前，整個加工床通常會加熱到低于所用材料熔點的程度，從而在減少熱變形的同時促進先后兩層之間的融合。SLS有左右兩個圓筒，左邊是粉末筒，右邊是加工筒，當加工筒內完成一個層面的燒結并下移一個層厚的距離后，粉末筒內的可移動平臺就會上升一定的距離，然后圓形轉軸從左向右移動，把粉末從粉末筒一側帶到加工筒一側，并在先前的加工層面上平鋪上一層粉末，開始下一個層面的燒結。
1.4 三維打印(3DP)技術
3DP技術則使用兩種材料，一種是粉末材料，另一種是粘合劑。首先工作平臺上鋪一層粉末材料，然后噴嘴根據輸入的圖形信息，選擇性地將粘合劑噴灑到特定區域，粘合粉末形成與輸入信息相同的幾何圖形，同時，為了減少圖形區域以外的粉末對粘合過程的干擾，粉末通常用水滴加以穩固。同前面提到的AM一樣，每完成一個層面的制作，可移動平臺便下移一個層厚的距離，以便進行下一個層面的制作，如此重復，以完成產品成型。與前面不同的是，這里完成的僅是中間產品，是用粘合劑將粉末粘合成特定的三維結構，下一步的處理是將其置于900℃的溫度下烘烤2 h，以完成燒結成型。
2 AM在醫學領域的應用
與傳統技術相比，AM有很多優勢，主要體現在：①制作結構復雜，尤其是內部結構復雜的構件：不管某個構件的內部結構如何復雜，AM始終能把它在一個維度上(如z軸方向)進行切分，分解成一個個二維圖層，然后進行層層累積制造。而傳統技術通常先要把構件按照對稱軸/面進行分割，然后進行切割，雕琢，再拼裝；如果其內部結構不存在對稱軸/面，用傳統技術進行制作就很艱難。②更適合進行設計：AM的數據全部來自CAD文件，因此，修改設計在電腦上用CAD軟件就能輕松解決，制作樣品也只需要數分鐘到數小時，而傳統技術則需要數周到數月去重新筑模、塑形、壓制、切削和打磨。③個性化制作：從AM的工作原理上講，幾乎可以制作任何形狀的物品，因此它能夠制作更加滿足個人需求的物品，尤其是在醫學領域，由于人體的個體化差異明顯，AM的應用非常廣泛，涵蓋了如下方面：組織工程領域的應用；人體植入物的制作；醫學模型開發；醫療器械的開發等。
2.1 組織工程領域的應用
AM在此領域的應用之一是開發支架(scaffold)，以模擬真實的細胞外環境，為細胞的生長分化提供三維空間。Susan等[1]總結了各種AM技術應用于支架制造的優勢和劣勢。目前的研究方向主要是探索新的材料和設計，使支架更利于組織細胞的分化和生長[2-7]。其另一應用是器官打印，自Mironov等[8]首次提出根據AM層層添加制造的原理、利用自動生物打印機(robotic bioprinter)進行器官打印的概念后，器官打印技術一直在快速發展。2010年，第一本器官打印技術書籍的出版，新的生物制造雜志的創立，以及國際生物制造協會的成立都表明這一領域是熱點。Mironov等[9]提出新理念，即構建器官生物制造流水線(organ biofabrication line, OBL)以實現對器官打印技術的商業化轉化，OBL的一些組成部分如干細胞增殖反應器，自動生物打印機已經研發成功，但其他關鍵組成部分，如組織球體生物制造機以及生物打印機等尚在研發中，如Renende等[10]闡述了如何讓組織球體自動生物制造規模化，以實現器官打印技術的商業化，并總結了當前制造組織球體的技術發展概況。
2.2 人體植入物
由于AM能夠制造任何復雜形狀的三維物體，并能將醫學影像學數據轉化成AM所需要的STL文件。因此AM能制造出滿足個體需求的人體植入物，目前已應用于顱骨損傷修補、鼻修補、耳成形手術、假肢及關節置換、心臟瓣膜及主動脈等方面的研發和臨床應用[11-14]。目前研究的熱點主要從材料和設計兩方面著手，開發出更加滿足實際應用的植入物。Murr等[15]著重比較了Ti-6Al-4V材料和Co-29Cr-6Mo材料所做成的實體狀膝關節植入物之間的性能以及實體狀、篩孔狀和泡沫狀設計間的性狀差異，以解決骨關節植入物與真實骨之間彈性系數不匹配問題和應力屏蔽問題。Khanoki等[16]提出以疲勞設計，來探索解決由于日常周期性壓力承載所導致骨骼植入體的進展性損傷問題。
2.3 醫學模型的開發
醫學模型的開發主要應用于兩個方面。其一是手術前準備，即通過構造手術相關的模型，可以讓醫生演練和熟悉手術操作，討論和確定手術入路、手術方式等，如確定截骨術的骨線，從而減少手術操作的盲目性，縮短手術時間、降低手術風險。如Bagaria等[17]報道通過使用AM來更好地理解復雜骨折，進而確定如何手術，減少了手術時間、麻醉藥物的用量和術中出血量。Rohner等[18]報道一例關于頜骨缺損患者的研究，首先通過AM制作出患者的頜骨模型，然后口腔修復科醫師與外科醫師共同商量，確定腓骨截骨術的數目、外形和位置，得到相應匹配的骨瓣進行缺損重建。其二是便于教學，醫學生能夠通過模型更好地理解人體的解剖結構以及手術操作，并且醫生也可以利用模型更好地向患者解釋手術操作的流程、必要性以及風險，增加患者對疾病和手術的了解。此外，隨著3D打印機朝向家用化和辦公化發展，設備價格進一步下降，可以設想每個外科醫生辦公室都可以有一臺3D打印機，打印出需要的模型用于教學或手術的準備。
2.4 醫療器械的開發
AM在醫療器械開發領域的影響有三點：其一，醫生可以擁有適合自己習慣和喜好的手術器械并可以隨時加以改進，并且為了進一步降低成本，首先可以用廉價的材料制作樣品，待完成最后的修改后再用所需要的材料如不銹鋼、鈦合金制作出最終的產品；其二，AM能夠幫助醫務工作者更好地解決工作中的問題，如改進器械，設計新的器械等，從而有助于提高醫務工作者的設計能力和創新能力；其三，AM能夠制作滿足患者個體化需求的醫療器械。Wei等[19]報道通過光固化立體造型技術制出患者特定的定位棒協助從患者顱底取出異物。Ciocca等[20]報道一例頜面部腫瘤切除術后患者，根據CT掃描數據以及AM，在手術前制造出患者殘余骨模型以及與之匹配的定位器，以固定殘余骨的位置，恢復殘余骨之間原本的三維解剖關系，以便接下來植入骨瓣時節省骨骼復位時間，這也有利于正常的解剖關系得以復原，促進患者的咀嚼等功能恢復。由于頜面骨骨骼以及牙齒形態復雜，因人而異，故這種定位器多用于頜面部重建手術以及牙科手術中。Lethaus等[21]報道在20例下頜骨缺損患者中，用AM制造出與患者本身骨骼類同的模型，然后預先彎制重建板，以用于固定植入的骨瓣，從而節省手術時間。
3 展望
作為新興的技術，AM采用了累積制造的理念，具有難以被傳統工藝取代的優勢，這些已充分闡述，其局限性之一在于材料，經過近三十年的發展，能夠用于AM的材料已大大增加，但是能夠滿足實際應用的材料仍屬不足，這主要是因為材料要滿足的條件很多，一方面，它要適用于工藝本身，比如用于光固化立體造型技術的材料必須有光敏性；另一方面，它要滿足實際應用的性能，比如代替人體骨骼的金屬植入物在保證外形、功能的同時，重量、機械強度，柔韌性均需要盡可能地契合人體本身，因此所用材料的密度、機械性能都有一定的要求，而材料的受限反過來也限制了AM的實際應用。局限性之二是精度，雖然有學者提出，醫學領域里精度的需求可能不需要達到特別高的層次，合適范圍內的偏差是允許的[22]，但是提高精度會進一步拓展AM的應用范圍。精度受很多因素的影響，不同的技術對精度的影響不一致，比如，Salmi等[23]報道，用SLS、3DP、Polyjet技術制成的顱骨模型中，Polyjet技術的精度比其余兩者的精度要高；而另一方面，由于需要將CAD文件轉化為STL文件，而STL文件是用細小的三角形模塊模擬原始三維圖像，這些轉化過程也進一步影響了最終產品的精度，此外在醫學領域，STL文件通常由影像學數據轉化而來，而影像學數據本身會因為部分容積效應等因素產生偏差[23]，如何減少技術本身的誤差和數據轉化產生的偏差是一個值得探索的領域。
另一方面，傳統工藝也在革新，數控仿真加工技術也以CAD數據為基礎，從多個軸向進行自動加工，其不僅可以同樣地將設計從制造過程中分離出來，并且精度、材料廣泛性要高于AM[24]，但其不足也很明顯，一方面其材料浪費比較嚴重，另一方面加工所耗費的時間也很長，而這兩點恰好是AM的優勢，雖然融合AM與數控仿真加工技術為一體的混合疊層制造(hybrid layered manufacturing)早已被提出[24]，但如何更好地讓兩種技術進行優勢互補仍在繼續研究中[25]。